加大圣地亞哥分校科研人員利用仿生技術打造水下超級吸盤(圖)

加州大學圣地亞哥分校(UCSD)的研發人員最近利用仿生技術打造出一種新的超級吸盤。據稱研發人員的靈感來自鮣魚,這種仿生高效的吸盤可被用在水下機器人身上。

鮣魚是分布在熱帶和溫帶地區的小魚。它們在潮間帶很常見,它們利用強大的吸力附著在巖石、藻類和海草上。即使在強大的海流中,或是被海浪沖擊時,它們仍能粘在這些表面上。這項研究中使用的鮣魚是一種原產于西海岸的物種,是在圣地亞哥附近采集的。

研究小組人員通過研究去收集鮣魚,發現了這種動物附著機制的秘密,并模仿秘密在人工吸盤中加入一層柔黏的組織層和縫隙。粘魚的吸盤上排列著一排排六角形結構,稱為乳頭,上面覆蓋著微小的纖維。研究人員在他們的原型中用硅樹脂制成的柔軟層模擬了這個過程。這一層大大提高了粗糙表面的粘合性能。該小組還將狹縫納入吸盤室,以確保更好地附著在不規則的凹面上。

該研究的首席作者、博士生Jessica Sandoval介紹說,這一盤狀邊緣的縫隙的設計靈感來源于鮣魚的腹鰭和胸鰭的交叉部分“我們展示了我們原型能夠附著在如農產品、螃蟹、海螺殼和花瓶等對象上。”研究人員開發的人工吸盤能夠粘在粗糙的表面上,如粗砂紙,也能粘在多變的表面上,從巖石到蔬菜,無論是在水里還是水外。研究人員還表明,他們的設備可以在不粉碎櫻桃和草莓的情況下提取所有東西,還可以制作海螺殼和花瓶。

研發組成員、加大圣地亞哥分校斯克里普斯海洋學研究所海洋生物學和生物模擬研究員
Dimitri Deheyn 稱:“當我們的同事在第一次交談時就確信優化吸盤的訣竅來自生物學。并認為,可以研發一種類似的吸盤,將結合來自鮣魚獨特的架構,和某種3D及多功能的機械裝置。”

研究組成員、機器人專家、加大圣地亞哥分校雅各布工程學院教授Mike Tolley說:“許多黏合劑設備只能粘附在干燥或潮濕的表面上,并且在粗糙的表面上有困難。我們的設備可以做到這一切。”

研究人員認為,這種裝置可以在重物上保持6個多小時,并可以延長到更長的時間。此外,這些以粘魚為靈感的吸盤因其尺寸而具有深刻強大的抓握力:吸盤懸浮在空氣中時可承受350倍于自身重量的重量。研究人員甚至在遙控器(ROV)的手臂上安裝了他們的一個裝置,并顯示出它可以在不破壞生雞蛋的情況下操縱生雞蛋。

Jessica Sandoval是一名深海遙控潛水器飛行員,同時也是一名博士生,她說:“我對這種特殊的遙控潛水器應用特別感興趣。”在駕駛遙控潛水器時,我使用水下機械手從海底采集精細樣品。我經常希望我有一個工具,以微妙的抓地力,以補充強大的抓地力金屬鉗口的機械手。我在深海的工作是一個真正的動機,它促使我尋找大自然的靈感,以獲得粘附力。”

根據該論文指出的實驗與分析:…..這些鮣魚是在埃倫布朗寧斯克里普斯碼頭北邊(Ellen Browning Scripps Pier)的潮汐池里采集到的。作為斯克里普斯海岸海洋保護區的一部分,加州大學圣地亞哥分校的科學家可以獲得從該地區采集用于科學目的的生物體的許可證,使其成為該大學的獨特資產。

在制作以粘魚為靈感的吸盤的同時,研究小組還通過在人造吸盤的腳印上涂上一層硅樹脂制成的微柱來模擬粘魚的微觀纖維。有趣的是,他們發現簡單的設計,只包含一層厚厚的硅酮,性能優于設計與微觀支柱。

這個跨學科的團隊人員分析了以粘魚為靈感的人工吸盤的性能,描述了圓盤腳印的表面接觸特征,以觀察它們與表面的相互作用。他們試驗通過使用有限元分析來模擬吸盤的變形過程,從而了解潛在的能量學。他們還測試了不同表面曲率和不同表面粗糙度(從光滑的丙烯酸到粗砂紙)的粘合強度。根據表面粗糙度的不同,他們測試了將圓盤固定在表面上所需的力的大小。他們發現,將光盤固定在表面所需的力很小,這就解釋了這種設備處理精密物體的能力。

相關研究論文發表在最近的《Bioinspiration and Biomimetics》期刊上。Jessica Sandoval已獲得蓋茨千年學者計劃(Gates Millennium Scholars)的支持。

資料參考:https://newatlas.com/materials/suction-cup-clingfish
圖片:UCSD.edu

(美國華文網 圣地亞哥華文網編發 USChinesePress.com SanDiegoChinesePress.com)